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25G型統(tǒng)型客車充電機(jī)IGBT故障分析

2018-11-11 09:29譚結(jié)清
機(jī)械工程師 2018年11期
關(guān)鍵詞:集電極充電機(jī)控制板

譚結(jié)清

(湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲412001)

0 引言

隨著鐵路電氣化的迅速發(fā)展,25G型客車車輛在鐵路上廣泛使用,其DC600 V客車電源已成為客車車輛的必備設(shè)備。25G客車電源的生產(chǎn)廠家有株洲中車時(shí)代電氣、南京華士、青島四方所、常州新譽(yù)、武漢正遠(yuǎn)、溫州蘭普和北京鐵科院等單位。由于各廠家生產(chǎn)的客車電源產(chǎn)品型號(hào)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路原理各不相同,導(dǎo)致產(chǎn)品部件無(wú)法兼容和互換。為了方便用戶檢修和使用,北京鐵科院組織對(duì)客車電源進(jìn)行了統(tǒng)圖設(shè)計(jì),客車電源的主電路、控制電路和插件板接口都是相同的,用戶在處理客車電源故障時(shí),不同廠家的插件可進(jìn)行互換使用,大大增加了檢修的工作效率。

統(tǒng)型25G客車電源已開(kāi)始在各主機(jī)廠進(jìn)行生產(chǎn)交付,但新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都有一個(gè)不斷完善的階段,避免不了會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,需要在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)。本文介紹的充電機(jī)IGBT(07)故障是新產(chǎn)品在南京浦鎮(zhèn)廠調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的一種重大慣性故障,該故障若不及時(shí)提出有效的解決方案,待產(chǎn)品在各鐵路局車輛段大量投入使用后將帶來(lái)很多負(fù)面影響和嚴(yán)重后果。本文針對(duì)該故障進(jìn)行的技術(shù)分析以及提出的解決方案,對(duì)降低產(chǎn)品故障率、提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性有重要的作用。

1 充電機(jī)工作原理及IGBT控制

如圖1所示,充電機(jī)主要由預(yù)充電電路、濾波電路、高頻逆變電路(包含高頻變壓器)、二次整流電路、輸出濾波電路、傳感器檢測(cè)電路、隔離驅(qū)動(dòng)單元和微機(jī)控制單元等組成。充電機(jī)采用軟啟動(dòng)工作模式:DC110 V控制電源給出,充電機(jī)執(zhí)行自檢,當(dāng)電壓傳感器TV301檢測(cè)到DC600 V電源電壓≥500(1±2%)V時(shí),充電接觸器KM301吸合,開(kāi)始預(yù)充電。當(dāng)電壓傳感器TV301與TV302的電壓差小于DC50 V后,短路接觸器KM302吸合,充電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。從充電接觸器閉合到充電機(jī)正常輸出的時(shí)間不超過(guò)14 s。當(dāng)TV301檢測(cè)到電壓低于(450±5)V后,控制系統(tǒng)發(fā)出命令立即斷開(kāi)KM301、KM302。在工作過(guò)程中,充電機(jī)如果出現(xiàn)任何輸出不正常的現(xiàn)象時(shí),控制系統(tǒng)立即發(fā)出命令自動(dòng)封鎖脈沖停止輸出。充電機(jī)主電路如圖2所示。

圖1 充電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 充電機(jī)主電路圖

充電機(jī)采用移相全橋軟開(kāi)關(guān)主電路,功率器件為IGBT。在充電機(jī)的IGBT通斷過(guò)程中,CPU控制板發(fā)出高頻PWM脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)板,驅(qū)動(dòng)板發(fā)出正偏電壓到IGBT門極使IGBT開(kāi)通,而當(dāng)驅(qū)動(dòng)板發(fā)出負(fù)偏電壓到IGBT的門極時(shí)IGBT將會(huì)關(guān)斷。CPU控制板與驅(qū)動(dòng)板結(jié)合實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng),同時(shí)檢測(cè)IGBT工作狀態(tài),一旦IGBT出現(xiàn)故障將由驅(qū)動(dòng)板反饋給CPU控制板,以便用戶及時(shí)了解功率器件的工作情況[2]。

2 IGBT故障現(xiàn)象及處理措施

2.1 典型故障現(xiàn)象

南京浦鎮(zhèn)廠25G型統(tǒng)型客車電源交車期間,充電機(jī)IGBT故障頻發(fā),僅半月時(shí)間內(nèi)就連續(xù)發(fā)生5起充電機(jī)IGBT故障。此類故障代碼為07,如圖3所示。查看CPU控制板燈顯,為HL21綠燈閃、HL16紅燈亮,如圖4所示,該故障指示表示標(biāo)號(hào)為Q302的IGBT(即IGBT模塊2)有故障。

圖3 充電機(jī)報(bào)07故障代碼

圖4 充電機(jī)CPU控制板故障燈顯

2.2 現(xiàn)場(chǎng)處理措施

現(xiàn)場(chǎng)排查故障時(shí),將IGBT模塊2拆下,用萬(wàn)用表蜂鳴檔測(cè)IGBT的1、3點(diǎn),蜂鳴檔響且萬(wàn)用表顯示為0 Ω,可以確認(rèn)IGBT模塊2已經(jīng)擊穿,見(jiàn)圖5?,F(xiàn)場(chǎng)對(duì)其中的兩臺(tái)充電機(jī)更換IGBT后,故障消除;而另外3臺(tái)充電機(jī)更換IGBT后沒(méi)有效果,還會(huì)將新更換的IGBT擊穿,只有更換整個(gè)充電機(jī)總裝模塊才能消除故障。

在現(xiàn)場(chǎng)交車期間,解決此問(wèn)題主要方法是更換IGBT或整個(gè)充電機(jī)總裝模塊,因故障率較高,且即便更換IGBT也需要拆卸總裝模塊,大大增加了現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的工作量。由于充電機(jī)總裝模塊備品數(shù)量有限,每次出現(xiàn)此類故障都更換整個(gè)充電機(jī)總裝模塊,在客觀條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn),但更換新的IGBT也會(huì)有被擊穿的可能,所以在技術(shù)設(shè)計(jì)方面對(duì)該問(wèn)題采取有效的解決方案勢(shì)在必行[3-4]。

圖5 用萬(wàn)用表蜂鳴檔測(cè)IGBT模塊的1、3點(diǎn)

3 IGBT故障分析及解決方案

根據(jù)充電機(jī)控制原理及IGBT工作特性,充電機(jī)報(bào)IGBT故障一般存在以下3種情況:1)驅(qū)動(dòng)板異常。充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的輸出電壓過(guò)高與過(guò)低都不行,過(guò)低則影響IGBT工作的穩(wěn)定性;輸出電壓過(guò)高,超過(guò)柵極—發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞。2)CPU板異常。充電機(jī)CPU控制板異常,導(dǎo)致故障信息誤報(bào)為IGBT故障,此種情況的可能性不大,但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。3)IGBT模塊被破壞。IGBT的結(jié)溫是有允許值的,在工作過(guò)程中,一旦出現(xiàn)加在IGBT集電極與發(fā)射極實(shí)際電壓過(guò)大,并且超過(guò)集電極-發(fā)射極之間的耐壓時(shí),就會(huì)導(dǎo)致流過(guò)的電流也會(huì)超過(guò)集電極—發(fā)射極允許的最大電流,時(shí)間一長(zhǎng),IGBT的結(jié)溫就會(huì)超過(guò)其結(jié)溫的允許值,IGBT被損壞幾乎不可避免了[5]。

診斷此類故障主要通過(guò)觀察CPU控制板故障指示燈確定故障范圍,再進(jìn)一步通過(guò)儀器測(cè)量結(jié)果,結(jié)合工作原理進(jìn)行分析,以快速準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)。

本次統(tǒng)型充電機(jī)頻發(fā)IGBT故障,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的信息及測(cè)量結(jié)果可以初步判斷:IGBT的集電極—發(fā)射極電壓擊穿失效,失效模式表現(xiàn)為短路。故該故障屬于以上所述的第3)種情況,第1)與第2)種情況據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員反映也曾出現(xiàn)過(guò),但此故障現(xiàn)象比較少。

3.1 IGBT過(guò)壓保護(hù)

IGBT作為一種大功率的復(fù)合器件,存在著過(guò)流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問(wèn)題。在過(guò)流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓,過(guò)高的電流變化率會(huì)引起過(guò)電壓,為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù),因而掌握好IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分必要的。

IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中存在過(guò)電壓,關(guān)斷IGBT時(shí),它的集電極電流下降率較高,尤其是在短路故障情況下,如不采取軟關(guān)斷措施,其臨界電流下降率將達(dá)到每微秒數(shù)千安培,極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓,導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出其安全工作區(qū)而損壞。在實(shí)際應(yīng)用中,若因設(shè)計(jì)缺陷或操作不當(dāng)導(dǎo)致加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(guò)集電極-發(fā)射極之間的耐壓,流過(guò)的電流超過(guò)集電極-發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值,IGBT就可能會(huì)永久性損壞。

3.2 IGBT故障原因分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察總結(jié)可以發(fā)現(xiàn),在工作人員誤操作(先斷DC110 V控制電路,再斷DC600 V主電路)或做過(guò)分相試驗(yàn)時(shí),該問(wèn)題出現(xiàn)的概率較大。

先斷DC110 V控制電路、再斷DC600 V主電路時(shí),控制斷電導(dǎo)致直接封鎖CPU板PWM脈沖,使IGBT導(dǎo)通電流迅速衰減至零,即IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。由于電路中二極管D301與D302的阻礙(見(jiàn)圖6),導(dǎo)致此時(shí)原邊變壓器上的能量無(wú)法泄放,所以能量只能以電壓的形式加在IGBT上,致使IGBT上出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)壓,最終燒損IGBT。即使此時(shí)IGBT沒(méi)有燒損,一旦充電機(jī)重新給電后,電路中重新建立電流時(shí),若是同向電壓疊加將會(huì)產(chǎn)生更高的電壓,將進(jìn)一步加大IGBT燒損的可能。

在做過(guò)分相試驗(yàn)時(shí),IGBT兩端高電壓的情況如圖7所示。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,IGBT故障是在以下這種情況下出現(xiàn)的:當(dāng)輸出電容C311和C312有電壓,L302中存在能量時(shí)(見(jiàn)圖6),如果充電機(jī)突然斷電(過(guò)分相),L302會(huì)通過(guò)二極管續(xù)流。由于變壓器存在漏抗,變壓器原邊電流建立需要時(shí)間,一旦原邊電流沒(méi)有完全建立,而占空比又消失了,這樣,變壓器的能量就全部蓄積到原邊,在下一次建立電流(過(guò)分相區(qū)后重啟)的時(shí)候,會(huì)給IGBT一個(gè)很高的電壓,從而造成IGBT故障。

圖6 主電路中的二極管D301與D302

圖7 IGBT瞬間高電壓波形(過(guò)分相試驗(yàn))

在充電機(jī)電路中,二極管D301與D302本來(lái)的設(shè)計(jì)意圖是起到防反接的作用。但在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)充電機(jī)突然斷電重啟時(shí),由于D301與D302的阻礙,原邊變壓器先前儲(chǔ)蓄的電能無(wú)法泄放到電阻R303、R304,瞬間高電壓致使IGBT擊穿。

3.3 解決方案

根據(jù)故障分析原因分析及充電機(jī)工作原理,為了盡量避免類似問(wèn)題再次出現(xiàn),有以下幾種解決方案:

1)將電路中二極管D301短接、二極管D302短接。具體內(nèi)容為:D301:1短接D301:2;D301:3短接D301:4;D302:1短接D302:2;D302:3短接D302:4。D301、D302電路及實(shí)物外形如圖8所示。這樣在實(shí)際應(yīng)用中,用戶誤操作或過(guò)分相充電機(jī)突然斷電重啟時(shí),即使直接封鎖脈沖或變壓器原邊電流沒(méi)有建立完成,但由于二極管D301和D302已經(jīng)分別被短接,電能可以泄流到電阻R303、R304,不至于導(dǎo)致高電壓擊穿IGBT-Q302。此方案弊端為主電路無(wú)防反功能。

圖8 D301、D302電路及實(shí)物外形

2)將電路中二極管D301、D302從原位置改換到支撐電容C301、C302的前端,這樣既不影響原邊變壓器泄放電能,也使主電路兼?zhèn)浞婪垂δ?。該方案的弊端為已生產(chǎn)的產(chǎn)品需要改變主電路結(jié)構(gòu),難度較大,涉及到的問(wèn)題較多。但后續(xù)新造產(chǎn)品,可以考慮采取此方案。

3)在IGBT-Q302的上管、下管分別并聯(lián)一個(gè)吸收電容,這樣即使出現(xiàn)瞬間電壓較高的情況,由于吸收裝置的保護(hù),也能減小IGBT燒損的概率。從本次批量故障可以看出,IGBT-Q302的上管、下管未并聯(lián)一個(gè)吸收電容,故大部分IGBT故障發(fā)生在IGBT-Q302;IGBT-Q301的上管、下管已并聯(lián)了吸收電容,故IGBT-Q301燒損故障較少。該方案的弊端為并聯(lián)的吸收電容對(duì)IGBT會(huì)有一定的保護(hù)作用,但I(xiàn)GBT還是會(huì)有一定的燒損概率。

4)在程序中設(shè)置一個(gè)最小占空比,這樣如果充電機(jī)突然斷電重啟時(shí)(過(guò)分相),在原邊電流沒(méi)有建立完成的時(shí)候有一個(gè)最小占空比,保證原邊電流建立,并能夠把能量傳輸?shù)礁边厑?lái)解決,不至于過(guò)分相時(shí)IGBT的兩端瞬間電壓過(guò)高而擊穿IGBT。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,采取以上第1條和第4條結(jié)合的方案,將能從根本上解決此類IGBT故障。同時(shí),需要用戶按規(guī)范操作,在斷充電機(jī)時(shí),一定要先斷DC600 V主電路,再斷DC110 V控制電路[5]。這既是遵守安全操作規(guī)范的體現(xiàn),同時(shí)也能延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的充電機(jī)IGBT(07)故障是新產(chǎn)品在主機(jī)廠調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的重大慣性故障,通過(guò)深入的技術(shù)分析,確定了故障原因并提出解決方案,有效解決了該故障。

根據(jù)本次批量故障處理總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn),為避免類似事件重現(xiàn),提出以下3點(diǎn)建議:1)在25G產(chǎn)品用戶手冊(cè)中要特別強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng),提醒用戶按規(guī)范進(jìn)行操作:在斷充電機(jī)時(shí),一定要先斷DC600 V主電路,再斷DC110 V控制電路。2)技術(shù)人員在設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮到用戶操作失誤等不可控因素,盡量減少因用戶操作失誤而導(dǎo)致產(chǎn)品的損壞。3)新造產(chǎn)品在出廠前應(yīng)通過(guò)完善的試驗(yàn)準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證,以保證產(chǎn)品各項(xiàng)功能的的穩(wěn)定性。在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)考慮到產(chǎn)品在運(yùn)行中出現(xiàn)的特殊或極端情況,并通過(guò)模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行不斷地測(cè)試和改進(jìn)[6]。

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